6.- Obtencion De 2,4-dinitroclorobenceno

PRACTICA No.6 “OBTENCIÓN DE 2,4-DINITRO CLOROBENCENO”

OBJETIVO



Efectuar una reacción de nitración dentro del mecanismo general de sustitución electrofílica aromática y así obtener un derivado dinitrado, partiendo de un sustrato aromático con un grupo desactivador orientador ortopara.

INTRODUCCION SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA La reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica aromática. Esto es, un electrófilo (E+) reacciona con un anillo aromático y sustituye uno de los hidrógenos. Mediante este tipo de reacción es posible anexar distintos sustituyentes al anillo aromático. Se le puede Halogenar (sustituir con halógeno: -F, -Cl, -I, -Br, -At), Nitrar (sustituir por un grupo nitro: -NO 2), Sulfonar (sustituir por un grupo ácido sulfonico -SO3H), Alquilar (sustituir por un grupo alquilo: -R), etc. Todas estas reacciones pueden ser llevadas a cabo seleccionando los reactivos y condiciones apropiadas.

1.

Halogenación: a) Bromación de anillos aromáticos: Se hacen reaccionar los anillos aromáticos con bromo, con FeBr3 como catalizador dando como resultado bromobenceno como producto de sustitución. b) Cloración y Yodación: El cloro y el yodo pueden introducirse en el anillo aromático mediante una reacción electrofílica en las condiciones apropiadas. Los anillos aromáticos reaccionan en presencia de FeCl3 como catalizador, para producir clorobencenos. El yodo por si mismo no reacciona con los anillos aromáticos y se necesita un promotor para que efectúe adecuadamente la reacción. Los mejores promotores son los oxidantes como el peróxido de hidrogeno H 2O2, o sales de cobre como CuCl2. Estos promotores actúan oxidando el yodo, convirtiéndola en una empresa electrófila más potente que reacciona como si fuera I+. Entonces el anillo aromático ataca el I+, con lo que forma un producto de sustitución normal.

2.

Nitración: Los anillos se pueden nitrar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados. Se piensa que el electrofílo es el ion nitronio, NO2+, que se genera del ácido nítrico, por protonacion y perdida de agua. Este ion genera un carbocatión intermediario, cuando este pierde un protón se genera el nitrobenceno como producto de sustitución. Este proceso es realmente importante para la industria de explosivos, pigmentos y farmacia.

El nitrobenceno se puede utilizar para la preparación de anilina. Para esto se hace una reducción con SnCl2 :

Reactivo es mezcla de SO3 + H2SO4: H2SO4 fumante

3.- Sulfonación: Los anillos aromáticos pueden sulfonarse por reacción con ácido sulfúrico fumante (H2SO4 + SO3). El electrófilo reactivo es HSO3+ o SO3, dependiendo de las condiciones de reacción. Este proceso ocurre similar a la bromación y nitración pero tiene la característica de que es reversible. Esta reacción tiene importancia en la elaboración de colorantes y productos farmacéuticos. El ácido bencenosulfónico se puede utilizar para la preparación del fenol fundiéndolo con NaOH:

2

4.- Alquilación de Friedel – Crafts Reacción de Friedel-Crafts: Es una sustitución electrofílica aromática en la cual el anillo ataca un carbocatión electrófilo. Este carbocatión se genera cuando el catalizador AlCl3, ayuda al halogenuro de alquilo a ionizarse. La reacción finaliza con la perdida de un protón. Esta reacción posee tres limitaciones fundamentales: 1. Solo se pueden usar halogenuros de alquilo. 2. La reacción es ineficaz cuando los anillos aromáticos se encuentran unidos a grupos fuertemente desactivadores. 3. Es difícil controlar él número de alquilaciones que se desea producir. 4. Pueden producirse transformaciones e el esqueleto del grupo alquilo. (pueden anexarse un n-propil o un i-propil).

Segunda limitación: El anillo de benceno no puede tener el grupo amino ni sustituyentes electroatrayentes (le quitan la reactividad) (evita formación carbocatión) Tercera limitación: Muchas veces se obtiene la disustitución.

Cuarta limitación: En la cadena alquílica a veces ocurre transposición (especialmente cuando es primaria). 5.- Acilación de Friedel - Crafts

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Tiene la segunda limitación. Considere la siguiente reacción general:

 

Grupo G es activante si el derivado reacciona más rápido que el benceno. Grupo G es desactivante si el derivado reacciona más lento que el benceno.

Orientación:

  

Activantes: orientadores o/p Desactivantes (excepto halógenos): orientadores m Halógenos: desactivantes pero o/p

Grupo electrodonantes son los o/p y activantes. Grupo electroatrayentes son los meta y desactivantes. Razones: efecto inductivo y resonancia

Grupos electroatrayentes: Generan desactivantes Razones: efecto inductivo y resonancia

Orientadores o/p: electrodonantes Por efecto inductivo:

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Por resonancia: Ocurre lo mismo que por efecto inductivo

Orientadores meta: electroatrayentes Por efecto inductivo:

Los halógenos: son desactivantes porque el –X es electroatrayente por efecto inductivo pero es orientador o/p porque el –X tiene electrones sin compartir y estabiliza ataque o/p por resonancia. 

Un tercer sustituyente: se suman los efectos.

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Nunca el producto principal es con el electrófilo entre medio de dos grupos. Activa mente le gana a desactivante. Como producto principal se escoge para.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS REACTIVOS INVOLUCRADOS ACIDO NITRICO HNO3 Masa molecular: 63.0 º CAS 7697-37-2 ESTADO FISICO; ASPECTO: Líquido entre incoloro y amarillo, de olor acre. PELIGROS QUIMICOS: La sustancia se descompone al calentarla suavemente, produciendo óxidos de nitrógeno. La sustancia es un oxidante fuerte y reacciona violentamente con materiales combustibles y reductores, e.j., trementina, carbón, alcohol. La sustancia es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva para los metales. Reacciona violentamente con compuestos orgánicos (e.j., acetona, ácido acético, anhídrido acético), originando peligro de incendio y explosión. Ataca a algunos plásticos. VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión. TOXICIDAD: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar muy rápidamente una concentración nociva en el aire. La sustancia es muy corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. Corrosiva por ingestión. La inhalación del vapor puede originar edema pulmonar PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición: 121°C; Punto de fusión: -41.6°C; Densidad relativa (agua = 1): 1.4; Solubilidad en agua: Miscible; Presión de vapor, kPa a 20°C: 6.4; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.2; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.07 ACIDO SULFURICO (Aceite de vitriolo: H2SO4 ) Masa molecular: 98.1 Nº CAS 7664-93-9 ESTADO FISICO; ASPECTO: Líquido higroscópico, incoloro, aceitoso e inodoro. PELIGROS QUIMICOS: Por combustión, formación de humos tóxicos de óxidos de azufre. La sustancia es un oxidante fuerte y reacciona violentamente con materiales combustibles y reductores. La sustancia es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva para la mayoría de metales más comunes, originando hidrógeno (gas inflamable y explosivo). Reacciona violentamente con agua y compuestos orgánicos con desprendimiento de calor .Al calentar se forman humos (o gases) irritantes o tóxicos (óxido de azufre). VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación del aerosol y por ingestión. TOXICIDAD: La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo, se puede alcanzar rápidamente una concentración nociva de partículas en el aire por pulverización. La sustancia es corrosiva de los ojos, la piel y el tracto respiratorio. Corrosiva por ingestión. La inhalación del aerosol de la sustancia puede originar edema pulmonar. Los pulmones pueden resultar afectados por la exposición prolongada o repetida al aerosol de esta sustancia. Si las exposiciones al aerosol de esta sustancia son repetidas o prolongadas existe el riesgo de presentar erosiones dentales. Esta sustancia puede ser peligrosa para el ambiente; debería prestarse atención especial a los organismos acuáticos. PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición (se descompone): 340°C; Punto de fusión: 10°C; Densidad relativa (agua = 1): 1.8; Solubilidad en agua: Miscible; Presión de vapor, kPa a 146°C: 0.13; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.4 ETANOL (anhidro) (Alcohol etílico: CH3CH2OH/C2H5OH Masa molecular: 46.1 ESTADO FISICO; ASPECTO: Líquido incoloro, de olor característico. PELIGROS FISICOS: El vapor se mezcla bien con el aire, formándose fácilmente mezclas explosivas. PELIGROS QUIMICOS: Reacciona lentamente con hipoclorito cálcico, óxido de plata y amoníaco, originando peligro de incendio y explosión. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes tales como, ácido nítrico o perclorato magnésico, originando peligro de incendio y explosión. VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor y por ingestión. TOXICIDAD: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante lentamente una concentración nociva en el aire. La sustancia irrita los ojos. La inhalación de altas concentraciones del vapor puede originar irritación de los ojos y del tracto respiratorio. La sustancia puede causar efectos en el sistema nervioso central. El líquido desengrasa la piel. La sustancia puede afecta al tracto respiratorio superior y al sistema nervioso central, dando lugar a irritación, dolor de cabeza, fatiga y falta de concentración. La ingesta crónica de etanol puede causar cirrosis hepática. PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición: 79°C; Punto de fusión: -117°C; Densidad relativa (agua = 1): 0.8; Solubilidad en agua: Miscible; Presión de vapor, kPa a 20°C: 5.8; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.6; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.03; Punto de inflamación: 13°C (c.c.); Temperatura de autoignición: 363°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 3.3-19 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: -0.32 CLOROBENCENO (Monoclorobenceno; C6H5Cl)

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Masa molecular: 112.6 ESTADO FISICO: ASPECTO: Líquido incoloro, de olor característico. PELIGROS QUIMICOS: La sustancia se descompone al calentarla intensamente en contacto con llamas o superficies calientes, produciendo humos tóxicos y corrosivos. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes, originando peligro de incendio y explosión. Ataca al caucho y ciertos plásticos. VIAS DE EXPOSICION: La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor, a través de la piel y por ingestión. RIESGO DE INHALACION: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar bastante rápidamente una concentración nociva en el aire. EFFECTOS DE EXPOSICION DE CORTA DURACION: La sustancia irrita los ojos y la piel. La ingestión del líquido puede dar lugar a la aspiración del mismo por los pulmones y la consiguiente neumonitis química. La sustancia puede afectar al sistema nervioso central, dando lugar a una disminución del estado de alerta . PROPIDADES FÍSICAS: Punto de ebullición: 132°C; Punto de fusión: -45°C; Densidad relativa (agua = 1): 1.11; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 0.05; Presión de vapor, kPa a 20°C: 1.17; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.88; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.03; Punto de inflamación: 27°C c.c.; Temperatura de autoignición: 590°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.3-11; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 2.18-2.84 2,4-DINITRO-1-CLOROBENCENO [CDNB; C6H3Cl(NO2)2 ] Masa molecular: 202.6 ESTADO FISICO; ASPECTO: Cristales de color amarillo pálido, de olor característico. PELIGROS QUIMICOS: El calentamiento intenso puede originar combustión violenta o explosión, alrededor de los 149°C. Puede estallar por calentamiento intenso en recipiente cerrado o por choque. La sustancia se descompone al calentar intensamente, produciendo gases tóxicos (óxidos de nitrógeno, cloro, cloruro de hidrógeno, fosgeno). Reacciona con oxidantes fuertes y bases fuertes. VIAS DE EXPOSICION; La sustancia se puede absorber por inhalación, a través de la piel y por ingestión. RIESGO DE INHALACION: No puede indicarse la velocidad a la que se alcanza una concentración nociva en el aire por la evaporación de esta sustancia a 20°C. EFECTOS DE EXPOSICION DE CORTA DURACION: La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La sustancia puede tener efectos sobre la piel, incluso en contactos poco importantes, dando lugar a dermatitis (los efectos pueden aparecer de forma no inmediata), y en la formación de metahemoglobina. La exposición a altas concentraciones puede producir la muerte. PROPIEDADES FÍSICAS: Punto de ebullición: 315°C; Punto de fusión: 54°C; Densidad relativa (agua = 1): 1.7; Solubilidad en agua: Insoluble; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 7.0l; Punto de inflamación: 194°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 2.0-22 PURIFICACIÓN POR RECRISTALIZACIÓN La purificación por recristalización se basa en que la mayoría de los sólidos son más solubles en caliente que en frío en un disolvente dado. Este método se emplea cuando las impurezas presentes sean mucho muy poco solubles en él. Una mezcla de dos sustancias salidas, ambas muy solubles en un líquido caliente, pero solo una de ellas soluble en frío, se puede separar en las sustancias componentes por recristalización. El proceso consiste en disolver la mezcla en caliente en el disolvente adecuado, formando una disolución saturada, y dejar enfriar, con lo que se formaran cristales de la sustancia insoluble en frío; Estos se separaran del líquido por filtración. MATERIAL Agitador de vidrio Probeta de 25 mL Embudo Büchner con alargadera Agitador magnético Pinzas de tres dedos con nuez Matraz erlenmeyer de 125 mL

CANTIDAD 1 1 1 1 1 1 1

MATERIAL Vaso de precipitados de 250 mL Espátula Recipiente para baño Matraz kitasato c/manguera p/vacío Pipeta graduada de 10 mL

CANTIDAD 1 1 1 1 1

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Matraz erlenmeyer de 250 mL SUSTANCIAS CANTIDAD SUSTANCIAS CANTIDAD Ácido nítrico conc. 15 mL Clorobenceno 2.7 mL (0.3 g) Q.P (21.2g) 25 mL (20.3 g) 15 mL Etanol del 96 Ácido sulfúrico conc. (27.7 g) % EQUIPO Una balanza analítica Una bomba de vacío

PROCEDIMIENTO:







Colocar en un matraz Erlenmeyer de 250 mL, 30 mL de ácido nítrico concentrado (d = 1.4 g/mL). Sobre el ácido nítrico, agregar lentamente, agitando cuidadosamente, 30 mL de ácido sulfúrico concentrado. Colocar la mezcla en baño María y agregar gota a gota agitando, 5.4 g de clorobenceno (2.7 mL). Calentar la mezcla en baño María durante 30 minutos, agitando constantemente. Vaciar el contenido del matraz lentamente a un vaso de precipitados de 250 mL, que contenga alrededor de 50 g de hielo picado. Agitar la mezcla vigorosamente y filtrar el precipitado al vacío. Lavar el producto con 100 mL de agua fría. Recristalizar de etanol. Pesar, calcular el rendimiento.

 NOTAS: 1.- El 2,4-dinitroclorobenceno es un producto muy irritante pues reacciona con los grupos amino de las proteínas de la piel, por lo cual debe evitarse su contacto. En caso de sentir irritación en alguna parte de la piel, lavar con agua y alcohol etílico. 2.- La mezcla de reacción debe ser agitada constantemente para así obtener el compuesto dinitrado. Si no se hace de esta manera, se obtiene el compuesto mononitrado (líquido). 3.- Al vaciar la mezcla de reacción sobre el hielo picado, debe de agitarse vigorosamente, tratando de obtener partículas lo más pequeñas posibles. 4.- Al hacer la recristalización del producto, se debe agitar y raspar las paredes del vaso, colocando dentro del hielo, para favorecer la constitución de la forma alotrópica alfa (p.f. = 53.4°C). Las formas beta y gama funden a 43°C y 27°C, respectivamente; en caso de no efectuar correctamente la recristalización, son contaminantes del compuesto alfa. 5.- El producto deberá guardarse en un lugar fresco, ya que el calor del medio ambiente, será suficiente para fundirlo. RESULTADOS: Reacción Cl

Cl

NO2

HNO3 H2SO4

NO2

Mecanismo Reacción ácido-base O

H-O-S-O-H + N-O-N O

O O

O

H-O-S-O + O

H H

O

O-N

O

N

O

O

Reacción

8

Cl

Cl

O N

O

Cl H

Cl

Cl NO2

HNO3/H2SO4

NO2

N=O O

+ O 2N

NO2

NO2

Peso del producto: 3.1096g

3.1096 g = 0.0153mol 202.6 g / mol = (1.4 g / ml )(30ml ) = 42 g

ncproducto = m HNO3

42 g = 0.6666mol 63g / mol 5.4 g nclorobenceno = = 0.0480mol → Re activoLimi tan te 112.6 g n HNO3 =

Rendimiento:

%R =

0.0153 × 100 = 31.88% 0.0480

DISCUSIÓN DE RESULTADOS



Se efectuó una reacción de nitración por medio del mecanismo de sustitución electrofílica aromática (SEA) donde un electrófilo, es decir el ión nitronio (NO2+) (que se formo a partir del ácido sulfúrico y el ácido nítrico ,por medio de una reacción ácido-base por Protonación y perdida de agua generando un carbocatión intermediario y cuando este pierde un protón se genera el nitrobenceno como producto de sustitución) reacciona con el anillo aromático y sustituye a los hidrógenos del anillo aromático del clorobenceno (sustrato aromático con un grupo desactivador orientador orto-para) por medio de una reacción de nitración se obtuvo un derivado disustituido, es decir, el 2, 4 – dinitroclorobenceno.



Al término de la reacción se generó un rendimiento del 31.88%, lo cuál fue menos de la mitad del total, posiblemente debido al tiempo en que se dejo hacer la reacción, así como también a la perdida de crisóleles en el lavado y en el filtrado. Los cristeles obtenidos eran de color blanco cristalino.

CUESTIONARIO a) Explique por qué el fenol y el clorobenceno tienen velocidades de reacción diferentes. Por que en el clorobenceno, el cloro desactiva el anillo aromático, mientras que el fenol activa al anillo aromatico. b) ¿Por qué se obtiene el producto principal disustituido y no el trisustituido? El clorobenceno exhibe efectos inductivos y de resonancia importantes. El cloro es muy electronegativo por lo que su efecto inductivo consiste en retirar electrones del anilllo aromático, por otra parte el cloro tiene uno de sus pares de electrones sin compartir en un orbital paralelo a los orbitales del anillo bencénico y esos electrones pueden ser cedidos al anillo por efecto de resonancia. El resultado de los dos efectos opuestos es que el cloro del clorobenceno dirige a orto y para pero el compuesto reacciona muy despacio y el cloro es de hecho, un grupo desactivante. c) Explique por qué se efectúo la disustitución en las posiciones 2 y 4. Debido a que el cloro es un halógeno y este desactiva el anillo aromático, pero orientan en posiciones orto y para por que el halógeno es más electronegativo que el carbono y por efecto resonante orienta a orto y para. CONCLUSIONES Se efectuó una reacción de nitración, a un anillo aromático (clorobenceno), la cual se llego a un producto que es el 2,4dinitroclorobenceno, por medio de un mecanismo de SEA.

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La SEA (Sustitución Electrofílica Aromática), es una de las reacciones mas importantes en los compuestos aromáticos, esta reacción depende de un electrófilo (ión nitronio) que reacciona con el anillo aromático (clorobenceno) y sustituye a uno de los hidrógenos; dentro de este mecanismo general, en este caso, el sustrato tiene un grupo desactivador orientado a orto-para. El rendimiento obtenido en este experimento fue muy baja (31.88%), esto se puede deber a múltiples factores, uno de ellos cuando nosotros en el filtrado dejamos residuos en el vaso de precipitados y también a la hora de filtrar se pueden perder algunos cristales. REFERENCIAS   

http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/nspnsynd.htm http://www.fq.uh.cu/webeco/sulfato_cobre.htm http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/ap-teclabquim-10/18.html

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home.coqui.net/rbetanc/3031/unidades/unidad10.pdf http://www.textoscientificos.com/quimica/aromaticos/sustitucion-aromatica

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